清华大学：可拉伸和各向异性导电复合聚吡咯水凝胶贴片

【摘要】

在心肌组织工程的发展中非常需要同时制造可拉伸和导电的水凝胶支架，并且也非常具有挑战性，尤其是具有各向异性的导电特性。现有的各向异性策略仅限于特定的纳米材料，或者很耗时。最近，清华大学梁琼麟教授团队提出了一种简单且新的拉伸诱导策略，使导电纳米管在水凝胶中对齐。

通过这种策略，团队制造了一种新型混合水凝胶，它具有出色的拉伸性，同时具有出色的各向异性电导率（6 vs 30 S/cm）。混合水凝胶也成功地用作治疗性心脏贴片，其诱导培养的心肌细胞的细长细胞形态并实现电信号的稳定定向传输。该贴片成功缓解了大鼠的心肌梗塞。相信这种策略和这种纳米复合水凝胶在组织工程中具有广阔的应用前景。相关论文以题为Stretchable and Anisotropic Conductive Composite Hydrogel as Therapeutic Cardiac Patches发表在《ACS Materials Letters》上。

【主图导读】

图 1. 各向同性导电纳米复合材料的制备。(A) 心肌的排列结构，白色箭头表示心肌的方向。(B) 具有原位甲基橙掺杂的聚吡咯 (PPy) 纳米管通过氧化高能电子具有自由基阳离子。(C) PPy 纳米管的 SEM 图像。(D) 具有不同 PPy 纳米管浓度的 PPy 纳米管水凝胶 (PNH) 的宏观照片。(E) 具有不同几何形状的 PNH 的数字图片。

图 2. 纳米复合材料的特性。(A) PNHx 的储能模量 G' 和损耗模量 G'' 的振荡应力依赖性。(B) 具有不同 PPy 纳米管浓度的纳米复合材料的应力-应变曲线。(C) PPy 对双网络水凝胶杨氏模量的影响。(D) 具有不同 PPy 纳米管浓度的纳米复合材料的电导率。

图 3. 各向同性导电纳米复合材料的制备。(A) PNH 和 (B) 对齐的 PPy 纳米管水凝胶 (A-PNH) 的代表性共聚焦显微镜图像。(C) PNH 和 (D) A-PNH 的示意图。(E) PNHs 在加载过程中的示意图和 PPy 纳米管在不同位置受到的力。

图 4.拉伸循环期间的方向分析。(A) 在纳米复合水凝胶上检测到两个不同的方向。(B) 在拉伸应变下不同方向的电导率变化。(C) 具有不同拉伸周期的 PPy 纳米管的角分布。(D) -15° 和 15° 之间角分布的百分比。

图 5. 纳米复合材料作为离体贴剂的演示。(A) 示意图说明纳米复合材料在区域受损后在组织中定向重新传导电信号。白色箭头表示电信号的方向和心肌的方向。(B) 离体心肌激发试验的示意图。位于未受刺激组织中的三个记录点由肌电图监测，以测量每次刺激中的动作电位幅度。(C) 从肌电图记录的动作电位幅度。(i) 组织样本被放置在 PNHs 上作为对照组。对于A-PNHs，心肌的方向是（ii）沿着牵引方向和（iii）垂直于牵引方向。使用单向方差分析和 Tukey 事后检验分析数据。

图 6. 纳米复合材料作为体内贴剂的演示。(A) 通过非接触法（顶部）和接触法（底部）测定的培养 12、24、48 和 72 小时的心肌细胞的细胞活力。(B) A-PNH 指导心肌细胞 (CM) 的生长。(C) 大鼠模型在心肌损伤前后和附着 PNHs 或 A-PNHs 后的动作电位幅度。

图 7. 心脏补片手术植入改善了心肌梗塞后 4 周的心室功能。(A) 7 天后炎症因子的量化以及 CD3、CD8 和 CD68 测定。(B-D) 心脏功能通过纵向超声心动图 (Echo) 进行评估。(E) MI 后 4 周代表马森三色染色。(F) MI 后 4 周代表性 HE 染色心脏。

【总结】

提出了一种简单的拉伸诱导策略，使纳米管在水凝胶中对齐。通过这种策略，团队制造了一种新型的混合水凝胶，它具有生物相容性、可拉伸性和出色的各向异性导电性。因此，这种水凝胶有望解决组织工程，尤其是心脏组织工程的挑战。团队证实了其作为心肌贴片的应用，可诱导细长的细胞形态培养的心肌细胞，实现电信号的稳定定向传输并减轻心肌梗塞。尽管如此，通过附加 A-PNHs 用于潜在的临床应用和未来研究的长期调查，可以做更多的工作来实现心肌梗死的完全康复。

参考文献：

doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00146

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